Белки — это ключевые строительные блоки живого организма, они выполняют широкий спектр задач — от формирования мышц до защиты от болезней. Новый протеин, получивший название esmGFP, существует пока лишь в формате компьютерного кода, но его последовательность представляет собой совершенно новый тип флуоресцентного белка зеленого цвета. В естественных условиях белки такого рода придают свечение медузам и кораллам.
Генетическая последовательность esmGFP на 58% совпадает с модифицированной версией протеина, обнаруженного у пузырчатой актинии Entacmaea quadricolor, морского существа с характерными пузырьками на кончиках щупалец. Оставшиеся 42% кода уникальны и для того, чтобы он мог появиться в природе в ходе естественной эволюции потребовалось бы 96 мутаций. По оценкам ученых, этот процесс длился бы более полумиллиарда лет.
Создателем esmGFP стала ИИ-модель ESM3. Она работает не так, как обычная биологическая эволюция. Вместо того чтобы следовать ограничениям естественного отбора, ИИ заполняет пробелы в неполном коде белков, создавая функциональные молекулы, которые могли бы существовать в природе, даже если сама эволюция не пошла по такому пути.
«Мы обнаружили, что ESM3 изучает фундаментальные принципы биологии и способен создавать функциональные белки за пределами естественных процессов эволюции», — объясняет соавтор исследования Алекс Райвс.
Белки состоят из цепочек аминокислот, последовательность которых определяется генами. Каждому белку присуща своя структура, позволяющая выполнять определенные функции. Чтобы обучить ESM3, специалисты ввели в нее данные о 2,78 миллиарда белков, встречающихся в природе. Затем алгоритму предлагали неполные последовательности, и он должен был заполнить пробелы, опираясь на накопленные знания.
«Точно так же, как человек может догадаться о пропущенном слове в фразе “быть или не быть, вот в чем ___”, наша модель способна восстанавливать отсутствующие элементы в коде белков», — поясняет Райвс. «Мы показали, что, решая такие простые задачи, модель формирует представления о глубинных закономерностях биологии».
Ученые уже давно модифицируют природные протеины и создают новые для различных целей, в том числе в медицинских исследованиях. Флуоресцентные белки, например, широко применяются в лабораториях: их генетический код добавляют в ДНК других белков, чтобы сделать их «видимыми» под микроскопом. Это помогает отслеживать клеточные процессы.
Эволюционный биолог Тиффани Тейлор отметила, что такие ИИ-модели, как ESM3, действительно открывают новые возможности в создании белков, которые недоступны естественной эволюции. Однако, по ее мнению, утверждение о том, что модель смоделировала 500 миллионов лет эволюции, относится только к отдельным белкам и не учитывает сложные механизмы естественного отбора, которые формируют жизнь в целом.
«Создание белков при помощи ИИ — это захватывающий процесс, но мне кажется, что мы слишком самоуверены в том, что можем превзойти сложные механизмы, которые миллионы лет оттачивала природа», — заявила Тейлор.
Тем не менее, ученые уверены, что возможности ESM3 помогут ускорить исследования в области белковой инженерии и разработки новых лекарств, открывая перед медициной совершенно новые горизонты.
Ранее ученые открыли белок стройности: он превращает бурый жир в тепло.
